《基于52单片机的指纹密码锁设计》8700字

基于52单片机的指纹密码锁设计目录TOC\o"1-2"\h\u32045引言 212876（1）LCD12864液晶显示屏可显示正在操作的内容与提示； 2124211.总体设计方案 3122351.1设计功能指标 330931.安全性指标 3207562.便捷性指标 3317321.2总体设计及原理图 3141852.系统硬件设计 750542.1STC89C52单片机系统设计 7189002.2LCD12864液晶显示电路设计 883902.3AS608指纹识别模块设计 10248342.4AT24C02的介绍 11325182.5矩阵键盘的设计 12161302.6蜂鸣器电路的设计 13200692.7继电器驱动电路设计 146633（2）IC（MAX）：要大于2*40mA； 1421317（4）直流的倍率：120。 14308903.系统软件软件设计 15257263.1软件开发环境的介绍 15234643.2系统重要函数的介绍 1567024.设计成品功能测试 20140174.1测试方案 20194614.2测试结果 21125294.3测试结论 2189505.总结 21摘要：针对传统机械锁越来越不适应智能时代对锁具安全系数和使用灵活性的高要求，本文设计了一种安全又方便的智能密码锁。该设计以STC89C52单片机作为密码锁监控装置的检测和控制核心，采用矩阵键盘和指纹录入作为设计的两种解锁方式，使用液晶屏作为人机交互界面，并设有修改密码功能。测试结果表明，本设计达到了智能锁具应当具备的高安全性和高灵活性的功能要求，值得大力推广。关键词：指纹密码锁；STC89C52单片机；矩阵式键盘引言近现代，社会发展迅速，大家对安全问题的重视程度也是越来越高，尤其以锁具种类的更新换代最为明显。门锁被撬，或因钥匙丢失而无法进入家门的事情屡见不鲜，由此可见，普通锁具的安全及便捷性能已满足不了当前环境下人们对于锁具的高要求。在众多生物识别技术中，指纹识别以方便，稳定，易采集等优点脱颖而出！指纹识别最早起源并应用于方位技术，近现代逐渐成为了认证个人身份最为重要的手段，自科学研究认证了指纹的唯一性及稳定性以来，指纹识别技术逐渐走进大众的视野，2000年以后，更是飞速发展，指纹识别技术也逐渐从警用向民用发展，目前指纹识别的应用以只能手机解锁最为突出。相对于普通锁具，指纹识别锁具更加的安全且方便快捷，不需要随身携带大量钥匙，安全性也有较大的提高，因此，指纹识别锁具受到越来越多人的青睐，应用范围也愈加的广泛。指纹密码锁根据每个人手指末端凹凸不平的纹路记录个人信息，密码锁的指纹模块通过图像识别，模板获取和模板储存保存人员指纹信息，当需要开锁时，通过模板匹配，和指纹识别检索来检验开锁人员身份，安全系数相对较高。经过是对各个模块的详细了解及对比，最终选定宏晶科技的STC89C52单片机作为指纹锁的主控芯片，AS608作指纹识别模块，LCD12864作为指纹锁显示装置，矩阵键盘作为系统的输入方式，而系统设计的程序通过KELI软件进行编写。系统可通过管理密码进入，并进行添加和删除指纹信息的操作，输入及修改密码操作可通过矩阵键盘实现。通过合理设计，本文内容将实现以下功能：LCD12864液晶显示屏可显示正在操作的内容与提示；数据存储模块AT24C02可对输入信息进行存储；系统可通过管理密码进入，并进行指纹的输入和删除操作；通过指纹识别进行开锁操作。总体设计方案针对现代人们对锁具的安全性和便捷性的需求，本文给出以下整体设计方案。1.1设计功能指标安全性指标硬件安全：整体电路设计有蜂鸣器，当未录入指纹识别或密码错误时，蜂鸣器会做报警处理。且系统最多只可存储20枚指纹，当指纹存储到20枚后，其他质问均无法做录入及开锁操作。软件安全：指纹锁的管理界面需要通过输入6位的密码才可进入，密码可不定时更改。一次开锁后，约12秒时间，锁会自动关闭，也可通过按键，手动关闭锁芯。便捷性指标指纹识别：通过管理界面将指纹录入系统后，可通过指纹识别方式开锁，相对其它开锁方式指纹解锁大大提升了开锁效率，且方便易操作。密码识别：指纹识别不便情况下，可采用密码识别的方式进行开锁，开锁密码与管理密码相同。1.2总体设计及原理图1.2.1主控芯片的选择方案一：选择STC89C52型号的开发板作为芯片。该开发板系统是八位CMOS微控制器，具有出色的功耗和出色的性能。它具有一个8k编程容量的片上闪存。其与传统的51模式可以做到向下兼容，但拓展的应用比较丰富。比方说，4k的存储量的电可擦除存储器，支持断电保护和上电复位。其可以立即使用开发板的内部存储，而无需将数据存储器连接到外部进行存储。STC89C52开发板具有简单的开发和设计，可移植的程序在线下载以及其较低的成本综合来看，可以作为一个备选方案。方案二：选择F4250的型号的开发板。该芯片支持信号处理和转换，也能够将不同模块的电路复刻到板子上。该系列的微控制器主要是由可充电的电池供电，整合为一个便携式仪器设备。但是，开发设计的难度系数比较大，价格也比较昂贵。因此，它不适用于某些简单的设计方案。方案三：PIC16F877A微控制器用作主板芯片。实际上，该主板继承了PIC系列的功能，也是8位的控制器。其型号的闪存功能比较完善，速度比较快，还可以支持续写程序。只不过，项目的比较预算高，难度也相当更大。最终，本文根据现实的经济情况，还有开发和应用的复杂程度，还是选择使用较熟悉的STC89C52开发板。1.2.2指纹模块的选择 这里使用的具体芯片是AS608，进行相应信息的储存。使用的协议规则也是常规的模式，只是运用该芯片可以实现更高效的排版，通过串口能够控制指纹的采集，识别，删除，添加等操作。1.2.3显示器件的选择方案一：利用晶体数管的流水灯和视觉延迟功能。这个方式比较经济实惠，但是不足之处在于用到的IO口比较多，不利于设备的最优速率运行，此外，需要使用一定的起耦合功能的电路进行拓展。并且根据耦合器电路对数字进行操作。在显示管中，还使用了数字显示管来显示更多的内容，该显示内容对于电源电路的焊接会更有价值，它很容易被错误地使用。方案二：使用LCD1602液晶屏在屏幕上显示。LCD显示屏具有完备的指示功能，并可以另外指示16*2或32个字符，其中可以包含数据信息以及英文字母，或者是徽标或自定义的标识符。LCD1602液晶显示器中的每个标识符均显示5*7点的矩阵。LCD1602使用并行计算进行数据的传输，或者是用串行的通信来传输数据。它易于操作，并且与市场上HD44780液晶显示屏的大多数基本操作原理完全一致。方案三：应用LCD12864的液晶屏幕播放。要根据其分辨率来获得布阵的方式，所以，可以设计嵌入点阵的规模，即：2^13个16维矩阵。这样的设计，这样所显示的图形和信息就可以有点阵的具体点亮的部分来实现。此外，LCD灯是节能产品，工作消耗的电能比较少，且环境友好。尽管LCD12864的LCD屏幕具有完整的功能，但是显示内容太大，导致显示室内空间的消耗，并且LCD屏幕的成本增加。最后决定，因为本文要展示的数据量比较丰富，还是采用方案三进行模拟。1.2.4数据存储芯片的选择方案一开发板在出厂时，内部就镶嵌了EEPROM，该储存器就是来储存多余的数据和程序的。而且可以选择只读，也可以擦除重写，其内部也要高速的闪存帮助提升效率，所以可以更大程度的节省资源。其存储空间可以达到2K，有足够空间收纳数据及程序。方案二：不用内设的储存器，而购买其他的外部结构。市面上的经济适用存储器比较多，通过阅读文献和对比分析，本文考虑购买AT24C02的储存器。其实，它也是一个带电可擦可编程只读存储器，串行的方式进行通信，而且以8位为一字节进行数据传输，设备的功能损耗很低。而且比较亮眼的是，该芯片可以写入8个字（1个字16位）的cache。此外，该系统的总线结构适合IIC的插座进行实际操作，并具有专业的写保护功能。综合考虑，在存储数据信息时，单片机内部的EEPROM必须在装载之前擦除所有磁道，这似乎有点不方便。通过对比，本文采用AT24C02的芯片进行存储。1.2.5人机交互输入器件的选择方案一：以单个功能键输入的方式进行。单个功能键的每个功能键都可以控制实现一个具体操作，而且输入输出端口要做到匹配。所以，整体的利用效率比较低。但是，好处在于误操作的可能性降低了。方案二：单片机包含矩阵序列，可以使用其上的功能按钮。矩阵键盘分别在功能键的两侧接收具体的位置，在此之后，一次排列并相连，与具体的算法和程序相配合，不可以接错线。这样变得比较复杂，但是效率比较高，许多优先级的操作可以利用软件保留，而节省了输入输出端口。综合上述的描述，最终还是决定采用矩阵键盘作为输入。1.2.6总体设计原理图本设计选择STC89C52作为本设计的主板芯片；采用LCD12864液晶显示实时操作内容与提示；同时加入了指纹识别功能，能够通过管理密码进入进行添加和删除指纹信息，AT24C02存储密码锁的登录密码等信息内容；通过矩阵键盘输入诸如打开和更改密码之类的实际操作。本设计的具体的系统方案如下图1所示。图1系统方案系统硬件设计2.1STC89C52单片机系统设计2.1.1STC89C52的概述传统上，最先出现的单片机是51系列，此后才是52系列。这类的芯片历史比较悠久，性能做得也越来越完善，比如说起节省功耗的能力越来越强。比如说，没有工作的时候，CPU不工作了，但是计数的晶振没有停止，而且这是的可上电复位设备也在工作，这就保证了，在意外停电的时候，单片机也是可靠的，不会出现失去信息的情况。2.1.2STC89C52单片机的最小系统单片的最小系统是熟悉且易于理解的，它是可以使单片微机和最少组件一起工作的系统软件。下面详细介绍51单片机系统的基本组件和功能。电源。它提供了系统需要的足够的电能。在此设计中，由于51开发板的工作标准电压在4.5至5.9V之间，这时候比较常规。而USB的使用则是在此基础上进行了容量和便携率的扩展。硅类晶片的震动也会作为一个时间的确定功能。比如XTAL1、2的芯片，就是起到这样的作用。实际上，晶体的震动也是需要消耗电力的，其不是自己就可以进行机械运动的，所以如果频率非常快的话，电能的消耗量加大，芯片可能会过热导致毁坏。在本次设计中，使用的是11MHz的器件。而且，需要选择相应的电容C来滤波。一般而言，普通的陶瓷电容器就足够了，容量在25pF左右即可。图2晶振电路另外，复位电路应当有：上电自动校正和电源开关校正。图3所示的延迟时间电源电路有这两种校正的方法。上电时，电容器两端的电压不可以突变。而校准功能的按钮是安装在电容的两侧。当未按下校准功能键时，电源电路将完成开机校准。集成ic正常工作后，按住功能键，使RST引脚成为上拉电阻。才能达到手动校准的实际效果。一般来说，只需在RST引脚上保持一个十米以上的上拉电阻，就可以对微控制器进行合理的校准。图中所示的校准电阻器和电容器是经典值。特定制造时可以用相同大小的电阻器和电容器代替。读者还可以独立地测量RC电池的充电时间，或在办公环境中进行特定而准确的测量，以确保单片机的延迟电路可靠。图3复位电路完整的STC89C52单片机最小系统电路图如图4所示。图4STC89C52单片机最小系统2.2LCD12864液晶显示电路设计2.2.1LCD12864的概述128X64（带汉字库）既可以呈现四位运行，也可以呈现八位运行，处理的方式是并行。可以识别的字符，不仅是传统的字符码，一些中文标识也可以认识。而阵列显示模块则是需要嵌入2的13次方个汉字形矩阵。它可以指示汉字或者具体的图片。且它具有较低的能耗损失。而LCD12864芯片连接电路的原理图5所示。图5LCD12864原理图2.2.2LCD12864的工作原理常用的LCD12864显示块是常用的点矩阵LCD屏幕显示控制模块，它是由128*64LCD屏幕矩阵各个点组成的列表型阵列，其行和宽分别是二的七次方和二的六次方，而且每个位置都要与0或者1相搭配，0的话意味着不亮，反之则亮起灯。当设计好需要显示的具体信息是，可以把内容加载到匹配的数据存储器中。汉字的图案或点阵信息内容是自己设计的。目前，解决该问题的关键是在显示屏上显示两部分之间的相关性，并且记录可靠位置。列号（行0〜63）和行号（行0〜63）可以定义亮点的位置。512*8位的随机存储器里面的地址位置来决定。而且，LCD的小灯可以整体地呈现需要的信息。比方说，若LCD的屏幕上，（10，40）的位置是亮的，那么他的地址是小于2^6,所以显示板上是左边11的列。输入X=1，Y=11就可以定位了。这是为了更好地可视化，定位的点和具体的数据显示需要合理搭配。比如，2^6矩阵显示需要一一对应，高位和地位的要各自对齐，需要明白，存储和具体的位置之间的区别。如果是2^6方阵显示屏的点矩阵信息内容存储在八个存储页面中，每个存储页面具有64个字节，并且每个字节号存储一列（8行）的点矩阵信息内容。因此，数据存储器详细地址包括列详细地址（Yaddress，0〜63）和页详细地址（Xpage，0〜7）。lcd12864的实际运行时序框图设计如下表6。图6LCD12864操作时序图2.3AS608指纹识别模块设计2.3.1AS608的概述AS608亮态电子光头指纹验证机设备采用电子光指纹传感器，由DSPCPU和FLASH等芯片组成，性能优异。对于指纹的识别而言，它具备强大的优势，比如图像的处理以及模板获取，和模板匹配的能力，而指纹识别和检索中，模板存储的功能也很突出。采集到的指纹直接存储到传感器内部存储区中，AS608传感器最大可以存储120枚指纹，每个指纹模板占用512字节。AS608指纹传感器采用串口的方式与单片机进行数据传输，所以只需要将指纹模块接入到单片机串口引脚上，通过串口就可以进行控制指纹传感器了。由于指纹传感器的工作电压是3.3V而单片机系统电源电压是5V，所以在电源引脚上加入D4和D5两个二极管进行降压到3.3V左右给指纹传感器供电，利用了每个二极管大概压降0.7到1V左右的压降的原理，原理图如下图7所示。图7单片机与AS608连接电路2.3.2AS608指令介绍AS608是详细的指纹验证控制模块。它不需要清空所有字段组件。控制模块始终处于从属模式，服务器（主机）必须让控制模块根据不同的命令执行各种功能。服务器的命令，控制模块的回复及其数据传输均根据所需文件格式的数据文件执行。服务器必须根据以下文件格式封装要推送的命令或数据信息，还必须根据以下文件格式分析接收到的数据文件。指令/数据包共分为三类：1.包标识=01命令包；2.包标识=02数据包，且有后续包；3.包标识=08最后一个数据包，即结束包。所有的数据包都要加包头：0xEF01。2.4AT24C02的介绍2.4.1AT24C02的概述AT24C02这个芯片比较小，具体容量为2K，方式是串行。随着设计和研究的深入，其功耗逐渐降低，而且cache的应用比较多，可以有断电保护的功能。AT24C02的芯片实体图如图8所示。图8AT24C02芯片实物图2.4.2AT24C02的工作原理在实际应用中，该芯片的写入规则有两个：芯片内部寻址，以及片上（SOC）寻址的模式。（1）芯片寻址：A2和A1、A0三位可以具体选择相应的位置。而且0/1电平是能够输出具体的数据的。这里有可以选择“读”或者“写”的操作位置，若是0，则是写入操作；如果为1，则表示集成ic执行了实际的读取任务。（2）片上（SOC）寻址：实际上，这个模式很好用，几乎可以任意寻址了，从0直到“FF”，可以分别执行R/W的控制，共有256个寻址模式的处理。AT24C02读/写实际操作时序图如图9所示。图9AT24C02读/写时序图本次的实验，只用到了一个这样的IC集成电路，所以的引脚都接到了“地”上，而“W”的控制也是接地，来全面实现改程序的功能。至于SDA，以及SCL这两个功能位，则是分别接收微控制器的2个引脚，实际原理图如图10所示。图10AT24C02电路图2.5矩阵键盘的设计在实际操作中，当必须使用更多的按键时，为了更好地减少单片机的I/O端口占用，按键通常排列在矩阵中，即矩阵键盘。在矩阵键盘中，每个直线和二等分线并没有在连接处立即连接，而是根据一个键以多种方式连接。这样，端口号（例如P1端口）可以形成4*4=16个键。与立即使用端口号线来使用计算机键盘释放两次相比，并且行数越大，差异就越明显，例如，多添加一根线就可以形成20键的计算机键盘，并且立即使用端口号行将只剩下一个键（9个键）可用。不难看出，当必要的键的数量相对较大时，使用矩阵法作为计算机键盘是有效的。矩阵键盘的示意图如图11所示。图11矩阵键盘电路图4*4矩阵键盘的16个按键对应的功能表如3-3所示。表1矩阵键盘对应功能表123进入管理456选择上一项789选择下一项退格0确定返回2.6蜂鸣器电路的设计蜂鸣器采用5V有源感应式主动式蜂鸣器，因为被动式蜂鸣器的电流通常较大，因此无法立即驱动开发板的I/O端口，所以，可以利用晶体管来进行激励。这里使用的是PNP型管子。当基极（B）接一个上拉电阻（1KΩ）和CMOS的引脚相连时，如果上面是0，那么高阻关断，不会出现蜂鸣。反之则是整个电路通电，蜂鸣器发出提醒。蜂鸣器电路显示在下面的12中。图12蜂鸣器电路2.7继电器驱动电路设计继电器是由电力操作的组件。通常，它用于自动控制系统的电源电路中。简而言之，所谓继电器，要与隔离开关分开，它的内部不是单刀双掷等那么简单的结构，而是内部有互感器和表头，明白什么时候该执行通或者断的操作，其在电力系统的保护中必不可少。输入输出端口一般可以使用的电流只有不到45mA，且不稳定，要得到可以是继电器正常工作的40mA左右电流。需要其他设备的稳定和放大。其，需要一个运放来帮忙立即操作来驱动驱动程序。三极管的选择应该符合：（1）输出功率：超过2*继电器里面的电流（5*40mA=0.2W）;（2）IC（MAX）：要大于2*40mA；（3）耐压的值（CEO）：选择10V即可，不要过高，以免发生危险；（4）直流的倍率：120。图13继电器驱动电路本设计计划中使用S8550三极管进行扩展，如图2.12显示的就是其内部电路的设计和相关的功能结构。系统软件软件设计3.1软件开发环境的介绍该设计方案选择KeilμVision4进行编程来完成，其可谓是耳熟能详。而在此基础上的Keil5提出了详细的开发和设计计划，包括C语言编译器、宏选择，射频连接器，库管理方法和功能齐全的模拟仿真程序调试。在具体程序运行以后，可以调用“调试”的窗口进行检验，观察每一步的运行状态。一开始的单片机采用的是嵌入式开发板，使用的是原始的汇编语言，而Keil同样支持汇编的功能，其便捷实用的集成自然环境，强大的软件仿真模拟调整专用工具也将使更有效。3.2系统重要函数的介绍3.2.1主函数的设计主要函数voidmain（）是程序流的入口，并且详细的程序流必须包含该编号。最初，通常必须先重置微控制器和一些外部现场设备，然后再重置所有通常使用的设备并重新设置一些自变量。重置后，它将进入无限循环。如果它没有进入无限循环程序，则一旦执行，它将被撤回。如果增加了无限循环程序流程，则将不断开发循环系统，以达到实时检查的目的。在源程序的设计中，必须注意，主要功能不适合释放我的许多代码。实际的代码通常用于封装然后在main函数中启动，以便可以轻松阅读文章更改。实际的流程图显示在下面的14中。图14主函数流程图3.2.2AS608指纹搜索子函数的设计AS608选择串行通信协议与单片机进行通信，客户可以根据推送操作指纹模块以匹配匹配的数据文件。在操作AS608指纹模块以检索指纹识别的情况下，请先推动收集指纹识别信息内容，然后等待收集继续进行，然后按下指纹识别配对命令。如果指纹识别配对成功，它将返回成功，否则将返回失败的提示。识别和检索子功能的流程图在15中显示。图15搜索指纹子函数流程图3.2.3LCD12864显示函数的设计LCD12864的显示只能通过严格按照制造商的时钟频率规定进行编程来显示。该屏幕必须首先加载根据说明必须指示的区域的详细位置，接下来按规则去录入数据和履行程序。地址要一个接一个地读取，而后需要更改相应的内容。这里设计的是：主要的变量定为x，y，*s类似于指针的功能。表示的流程图如图16所示。图16显示子函数流程图3.2.4矩阵键盘检测函数的设计具体的矩阵键盘在程序上的检测方法如下（流程图中Key代表P1口）。首先将电脑键盘上的所有行线P1.0〜P1.3设置为低电平，然后检查列线P1.4〜P1.7是否处在低电平，如果有一条是低电平，那它就能确认该列中的四个按钮之一是被按住的。如果列线上没有低电平，则按键就不是被按下。(2)若确实有按键被按下，接下来继续要确认究竟是哪一个按键被按下了。具体步骤：逐步把四个行线的P1.0~P1.3置低，就是当一条行是低电平，另几行仍保持上拉电阻。然后，根据确定在某行线为低电平时，如果包括在第一步中获得的低电平，则可以区分出与在第一步中获得的行线和列线相交的键为目标，明确按下的到底是哪个按钮。矩阵键盘检查流程图如17所示。图17矩阵键盘检测函数流程图设计成品功